KR20220079664A - 플라즈마 캐소드를 사용하는 전자 빔 용접 시스템 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에서, 전자총, 집속 시스템, 및 하우징을 포함하는 시스템이 제공된다. 전자총은 콜드 캐소드(cold cathode) 전자 소스 및 추출 전극을 포함할 수 있다. 집속 시스템은 전자총에서 추출된 전자의 빔을 초점 영역에 집속시키도록 구성될 수 있다. 하우징은 전자총을 포함할 수 있고 전자 빔의 방향으로 하우징 축을 따라 연장될 수 있다. 콜드 캐소드 소스는 전자 빔의 초점 영역에서의 제2 작동 압력보다 더 높은 제1 작동 압력에서 전자를 방출하도록 구성된다.
Description
[관련 출원에 대한 상호 참조]
본 출원은 2019년 10월 16일에 출원되고 발명의 명칭이 "Electron Beam Welding Systems Employing A Plasma Cathode"인 미국 임시 특허출원 No. 62/916,214의 이익을 주장하며, 그 전체 내용이 참고로 포함된다.
용접은 두 구성요소를 포함하는 워크피스(work piece)가 함께 결합되는 공정이다. 일반적으로 두 구성요소의 표면이 서로 접촉하도록 놓여지고 가열된다. 열은 두 구성요소가 용융되게 하고, 이후 냉각될 때 함께 융합되게 한다.
전자 빔 용접(electron-beam welding, EBW)은 용접을 위해 금속 구성요소를 가열하기 위해 개발된 기술 중 하나이다. 소스로부터 고속의 전자가 추출되어 빔으로 집속된다. 전자 빔의 초점 영역(focal region)이 두 금속 구성요소의 표면이 접촉하고 있는 용접 위치로 지향된다. 빔 내의 전자의 운동 에너지의 일부가 열 에너지로 변환되어 용접 공정을 위한 열을 공급한다.
EBW는 많은 이점을 제공한다. 일 측면에서, 전자 빔은 상대적으로 높은 침투 깊이 대 폭 비율(penetration depth-to-width ratio)을 나타낼 수 있으며, 이는 다중 통과(multiple passes)를 수행할 필요를 제거할 수 있다. 또 다른 측면에서, 전자 빔은 높은 정확도로 집속되어 정밀한 제어 및 재현성을 제공할 수 있다. 전자 빔의 에너지는 또한 용접 영역의 과열을 방지하도록 조정될 수 있어, 수축과 왜곡을 감소시킬 수 있다.
기존의 EBW 시스템은 일반적으로 전자 소스로서 열이온 캐소드(thermionic cathodes)를 사용한다. 그러나 열이온 캐소드는 문제가 있을 수 있다. 예를 들어, 열이온 캐소드는 작동하기 위해 비교적 높은 진공(예를 들어, 약 10-4 torr 이하)을 필요로 한다. 더 높은 압력에서, 열이온 캐소드는 진공에서 잔류 가스와 반응하여 증발로 인해 열이온 캐소드를 쉽게 침식(erode)하는 화합물을 형성할 수 있다. 이러한 침식은 열이온 캐소드의 수명을 단축시킨다. 또한, 열이온 캐소드를 높은 진공으로 유지하려면, 결합될 구성요소들과 워크피스 고정(fixturing) 및 포지셔닝(positioning) 메커니즘은 역시 높은 진공 상태에 있는 대형 용접 챔버 내에 설치되어야 한다. 고정 및 포지셔닝 메커니즘을 진공에 인클로징(enclosing)하는 것은 다른 용접 기술과 비교하여 EBW 시스템의 비용, 복잡성 및 크기를 증가시킨다. 이러한 수명 및 비용 제약 외에도, 열이온 캐소드에 의해 생성될 수 있는 상기 전자 전류(electron current)에도 제약이 있다. 전자 전류는 용접의 깊이와 범위 및 용접될 수 있는 재료의 타입을 제한할 수 있다.
본 개시의 실시예는 전자 빔 용접을 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공한다. 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 핫(hot) 열이온 캐소드는 콜드(cold) 플라즈마 캐소드로 대체된다. 콜드 플라즈마 캐소드는 실질적인 침식 없이 작동 온도에서 상대적으로 불활성(inert)이다. 그 결과, 플라즈마 캐소드의 수명이 상당히(예를 들어, 30배 이상) 증가될 수 있다. 플라즈마 캐소드의 불활성 특성은 종래의 열이온 캐소드보다 훨씬 높은 압력에서도 작동할 수 있게 한다. 결과적으로, 플라즈마 캐소드 총(gun)이 워크피스를 수용하는 용접 챔버내에 장착(retrofit)되는 일 실시예에서, 용접 챔버 또한 열이온 캐소드를 갖는 e-빔 용접기보다 더 높은 압력에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 용접 챔버 압력은 잔류 가스로부터 상당한 전자 빔 산란 없이 약 1 밀리토르(millitorr) 내지 약 50 밀리토르에서 작동할 수 있다. 플라즈마 캐소드 총이 차동 펌핑된 하우징(differentially pumped housing)(스노클(snorkel)이라고 함)에 설치되는 다른 실시예에서, 용접 챔버는 제거될 것이다. 용접될 구성요소와 지지대 및 고정 장치는 진공 인클로저(vacuum enclosure) 내부보다는 외부에 배치된다. 구성요소, 지지대 및 고정 장치는 대기압에 있다. 용접 챔버가 진공 인클로저 외부에 있으면, 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템과 비교하여 진공 인클로저의 부피를 크게 줄일 수 있어, 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템의 비용과 복잡성을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 전자총(electron gun), 집속(focusing) 시스템, 및 하우징을 포함하는 시스템이 제공된다. 전자총은 콜드 캐소드 전자 소스(cold cathode electron source) 및 추출 전극(extraction electrode)을 포함할 수 있다. 집속 시스템은 전자총에서 추출된 전자 빔을 초점 영역에 집속시키도록 구성될 수 있다. 하우징은 전자총을 포함할 수 있고 전자 빔의 방향으로 하우징 축을 따라 연장될 수 있다. 콜드 캐소드 소스는 전자 빔의 초점 영역에서의 제2 작동 압력보다 더 높은 제1 작동 압력에서 전자를 방출하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 콜드 캐소드 전자 소스는 플라즈마 캐소드이다. 플라즈마 캐소드는 플라즈마 캐소드 챔버, 제1 플라즈마 전극, 및 제2 플라즈마 전극을 포함할 수 있다. 제1 플라즈마 전극은 플라즈마 캐소드 챔버의 제1 벽에 장착될 수 있다. 제2 플라즈마 전극은 제1 벽 반대쪽에 있는, 플라즈마 캐소드 챔버의 제2 벽에 장착될 수 있다. 플라즈마 캐소드 챔버의 축은 제1 및 제2 플라즈마 전극 사이의 방향으로 연장될 수 있다.
다른 실시예에서, 플라즈마 캐소드는 약 200℃ 미만의 전자 온도를 갖는 플라즈마를 생성하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 플라즈마 캐소드 챔버 축은 하우징 축과 대략 정렬될 수 있다.
다른 실시예에서, 플라즈마 캐소드 챔버 축은 하우징 축에 대략 수직일 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 작동 압력은 약 50 밀리토르 내지 약 500 밀리토르의 범위 내에 있을 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 작동 압력은 약 1 밀리토르 내지 약 50 밀리토르의 범위 내일 수 있다.
다른 실시예에서, 하우징은 전자총 및 초점 영역을 인클로징(enclosing)하는 용접 챔버를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 하우징은 전자총에 결합된 제1 단부와 제2 자유 단부 사이에서 연장되는 차동 펌핑된 스노클(differentially pumped snorkel)을 더 포함할 수 있다. 스노클은 제1 단부와 제2 단부 사이에 선택된 압력 구배(pressure gradient)를 제공하도록 구성될 수 있고, 초점 영역은 대략 제2 자유 단부에 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 스노클은 개개의 진공 펌프와 각각 유체 연통(fluid communication)된 복수의 진공 인클로저들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 방법이 제공된다. 방법은 콜드 캐소드 소스 및 추출 전극을 포함하는 전자총에 의해 제1 압력에서 전자를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 추출 전극에 의해 콜드 캐소드 소스로부터 방출된 전자를 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 추출된 전자의 빔을 전자총을 수용하는 하우징의 축을 따라 초점 영역에 집속시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은 워크피스의 표면에 입사하는, 전자 빔의 초점 영역을 수용하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 워크 피스에서의 제2 압력은 제1 압력보다 낮다.
다른 실시예에서, 전자를 생성하는 단계는 전자총의 플라즈마 캐소드 챔버 내에서 가스의 흐름을 수용하는 단계, 및 플라즈마 캐소드 챔버의 제1 벽에 장착된 제1 플라즈마 전극과 상기 제1 벽의 반대쪽에 있는 상기 플라즈마 캐소드 챔버의 제2 벽에 장착된 제2 플라즈마 전극 사이에 전기장을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 전기장은 가스로부터 플라즈마를 형성하도록 구성될 수 있고 플라즈마 캐소드 챔버의 축은 상기 제1 및 제2 플라즈마 전극 사이의 방향으로 연장될 수 있다.
다른 실시예에서, 생성된 플라즈마는 약 200℃ 미만의 전자 온도를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 플라즈마 캐소드 챔버 축은 하우징 축과 대략 정렬될 수 있다.
다른 실시예에서, 플라즈마 캐소드 챔버 축은 하우징 축에 대략 수직일 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 압력은 약 50 밀리토르 내지 약 500 밀리토르 범위 내일 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 압력은 약 1 밀리토르 내지 약 50 밀리토르 범위 내일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 용접 챔버 내에 워크피스를 인클로징하는 단계를 더 포함할 수 있다. 용접 챔버는 전자총과 유체 연통될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 워크피스의 표면과 스노클의 자유 단부 사이에 진공 씰(vacuum seal)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 스노클은 자유 단부로부터 전자총까지 연장된다. 상기 방법은 또한 전자총과 자유 단부 사이의 스노클의 길이를 따라 선택된 압력 구배를 설정(establishing)하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 선택된 압력 구배를 설정하는 단계는 스노클의 개개의 진공 인클로저들에 상이한 레벨의 진공 압력을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
이들 및 다른 특징들은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 더 용이하게 이해될 것이며, 첨부도면에서,
도 1은 핫(hot) 열이온 캐소드를 수용하는 하우징을 포함하는 전자 빔 용접 시스템의 예시적인 일 실시예를 도시하는 도면이다;
도 2는 하우징과 (예를 들어, z-축을 따라) 정렬된 제1 플라즈마 캐소드 챔버 내에 배치된 콜드 플라즈마 캐소드를 포함하는 전자 빔 용접 시스템을 포함하는 작동 환경의 제1 예시적인 실시예를 도시하는 도면이다;
도 3은 하우징에 대략 수직으로 (예를 들어, x-축을 따라) 배향된 제2 플라즈마 캐소드 챔버 내에 배치된 콜드 플라즈마 캐소드를 포함하는 전자 빔 용접 시스템의 제2 예시적인 실시예를 도시하는 도면이다;
도 4는 콜드 플라즈마 캐소드 및 차동 펌핑된 하우징을 포함하는 전자 빔 용접 시스템의 제3 예시적인 실시예를 도시하는 도면이다;
도 5는 도 2 내지 도 4의 빔 용접 시스템을 포함하는 작동 환경을 도시하는 도면이다.
도면들이 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니라는 점에 유의한다. 도면은 본 명세서에 개시된 주제의 대표적인 양태를 표현하기 위한 것일 뿐이며, 따라서 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
도 1은 핫(hot) 열이온 캐소드를 수용하는 하우징을 포함하는 전자 빔 용접 시스템의 예시적인 일 실시예를 도시하는 도면이다;
도 2는 하우징과 (예를 들어, z-축을 따라) 정렬된 제1 플라즈마 캐소드 챔버 내에 배치된 콜드 플라즈마 캐소드를 포함하는 전자 빔 용접 시스템을 포함하는 작동 환경의 제1 예시적인 실시예를 도시하는 도면이다;
도 3은 하우징에 대략 수직으로 (예를 들어, x-축을 따라) 배향된 제2 플라즈마 캐소드 챔버 내에 배치된 콜드 플라즈마 캐소드를 포함하는 전자 빔 용접 시스템의 제2 예시적인 실시예를 도시하는 도면이다;
도 4는 콜드 플라즈마 캐소드 및 차동 펌핑된 하우징을 포함하는 전자 빔 용접 시스템의 제3 예시적인 실시예를 도시하는 도면이다;
도 5는 도 2 내지 도 4의 빔 용접 시스템을 포함하는 작동 환경을 도시하는 도면이다.
도면들이 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니라는 점에 유의한다. 도면은 본 명세서에 개시된 주제의 대표적인 양태를 표현하기 위한 것일 뿐이며, 따라서 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
핫 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템과 비교하여 개시된 콜드 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템의 실시예의 특징 및 이점을 더 잘 이해하기 위해, 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템(100)의 예시적인 실시예가 도 1을 참조하여 하기에 논의된다. 도시된 바와 같이, 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템(100)은 캐소드 챔버(104), 캐소드 챔버(104) 내에 위치된 열이온 캐소드(106), 및 스테이지(112)를 수용하는 용접 챔버(110)를 수용하는 하우징(102)을 포함한다. 스테이지(112)는 결합될 제1 구성요소(116a) 및 제2 구성요소(116b)를 포함하는 워크피스(114)를 고정하고 배치하도록 구성될 수 있다. 애노드(120), 집속 코일(122) 및 편향 코일(124)이 캐소드 챔버(104)와 용접 챔버(110) 사이에 개재된다. 열이온 캐소드(106)는 케이블(126)을 통해 고전압(high-voltage) 전원공급장치(미도시)와 전기 연통(electrical communication)된다. 열이온 캐소드(106), 집속 코일(122), 편향 코일(124) 및 애노드(120)는 집합적으로 열이온 전자총(thermionic electron gun)(130)으로 지칭될 수 있다.
열이온 캐소드(106)는 필라멘트(예를 들어, 텅스텐 "헤어핀(hair-pin)" 필라멘트)의 형태를 취할 수 있다. 사용 시에, 고전압 전원공급장치로부터의 전류가 열이온 캐소드(106)를 통해 전달되고, 결과로 열이온 캐소드(106)의 저항 가열(resistive heating) 및 그로부터의 전자 방출을 발생시킨다. 열이온 캐소드(106)는, 예를 들어 약 60kV 내지 약 150kV 범위 내의 큰 음의 전압으로 바이어스된다. 추출기 전극(extractor electrode)(132)은 열이온 캐소드(106)에 매우 근접하여 정렬되고 열이온 캐소드(106)에 대해 약 +400V 내지 약 +1000V 범위 내의 큰 양의 전압으로 바이어스된다. 추출기 전극(132)은 대략 접지 전위에 있는 애노드(120)를 향해 (예를 들어, z-방향으로) 열이온 전자를 가속하여 전자 빔(열이온 e-빔)(136)을 형성하는 애퍼처(134)를 갖는다. 열이온 e-빔(136)은 집속 및 편향 코일(122, 124)을 향해 고에너지로 애노드(120)를 통해 전달된다. 집속 코일(122)은 워크피스(114)의 표면(예를 들어, 제1 구성요소(116a)와 제2 구성요소(116b) 사이의 계면에서 초기 용접 위치)에서 미리 정해진 크기(예를 들어, 직경)의 초점 영역(140)에 열이온 e-빔(136)을 집속하도록 구성된 제1 자기장을 생성한다. 편향 코일(124)은 (예를 들어, x-y 평면에서) 열이온 전자 빔(136)의 면내(in-plane) 편향을 제어하도록 구성된 제2 자기장을 생성한다. 이러한 방식으로, 열이온 전자 빔(136)은 제1 구성요소(116a)와 제2 구성요소(116b)를 결합하는 용접부위(weld)(142)를 형성한다.
위에서 언급한 바와 같이, 열이온 캐소드(106)는 전자를 생성하기 위해 가열된다. 따라서, 열이온 캐소드(106)는 "핫 캐소드(hot cathode)"로 분류된다. 그러나 전형적인 작동 온도(예를 들어, 약 1200℃)에서 열이온 캐소드(106)는 반응성이 높으며 캐소드 챔버(104)에 존재하는 가스와 쉽게 화합물을 형성한다. 이러한 화합물은 순수한 캐소드 재료와 비교하여 전자 방출 수준을 감소시키고 쉽게 증발하기 때문에, 이러한 화합물의 형성은 바람직하지 않다. 따라서, 열이온 캐소드(106)의 수명은 그것의 증발 속도에 의해 제한된다. 예를 들어, 전형적인 증발 속도를 가정하면, 열이온 캐소드(106)가 대략 10-4 torr의 압력에서 유지될 때 그것의 수명은 대략 30시간으로 제한된다.
열이온 캐소드(106)의 수명은 캐소드 챔버(104)의 압력을 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 전자총(130) 내에서 높은 진공 압력을 유지하기 위해서는 용접 챔버(110)도 인클로징되고 높은 진공 하에 유지되어야 한다. 따라서, 캐소드 챔버(104)의 압력을 감소시키는 것은 또한 용접 챔버(110)에서 압력의 동시 감소를 필요로 한다. 예로서, 열이온 캐소드(106)의 압력을 약 10-5 torr로 유지하기 위해, 용접 챔버(110)는 약 10-4 torr의 압력으로 유지된다. 캐소드 챔버(104) 및 용접 챔버(110) 모두에서 높은 진공을 유지해야 하는 필요성은 다른 결합 및 제조 기술에 비해 전자 빔 용접을 상대적으로 비용이 많이 들게 할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템(100)의 열이온 캐소드(106)를 플라즈마 캐소드로 대체하는 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템의 실시예를 도시한다. 하기에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 플라즈마 캐소드는 열이온 캐소드보다 훨씬 더 높은 압력에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 하기에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 노멀(normal) 용접 조건에서 플라즈마 캐소드는 약 50 밀리토르(0.05 torr)에서 최대 약 500 밀리토르(0.5 torr)까지의 압력에서 작동할 수 있으며, 이는 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템(100)과 같은 현재의 전자 빔 용접 시스템에서 열이온 캐소드(106)의 작동 압력(예를 들어, ≤ 10-4 torr)보다 적어도 2 내지 3 크기 정도(order of magnitude) 더 높다. 결과적으로 플라즈마 캐소드의 수명은 1,000시간보다 클(예를 들어, 열이온 캐소드의 30배를 초과) 수 있다.
추가로, 플라즈마 캐소드 챔버 내에서 높은 진공의 필요조건을 제거하는 것은 또한 용접 챔버를 펌프 다운(pump down)하는 데 필요한 시간을 감소시켜, 시스템의 진공 펌프 필요조건을 단순화하고, 시스템의 처리 시간 속도(예를 들어, 스루풋)를 증가시킨다. 예를 들어, 노멀 용접 작업에서, 용접 챔버는 약 10 밀리토르 이하(예를 들어, 약 1 밀리토르에서 최대 약 10 밀리토르까지)의 압력에서 작동할 수 있다. 개시된 실시예의 작동 파라미터(예를 들어, 플라즈마 압력, 전극 바이어스, 펄스 주파수, 펄스 폭 등)는 높은 빔 전류와, 용접 속도, 부품 처리량, 및 비용에서 수반되는 개선을 달성하도록 변경될 수도 있다.
특정 실시예에서, 캐소드 챔버의 압력은 플라즈마 전자 빔의 초점 영역(예를 들어, 용접 챔버 내)에서의 압력보다 높을 수 있다. 즉, 플라즈마 캐소드를 사용하는 EBW 시스템에서 캐소드 챔버와 용접 챔버 사이의 압력 구배(pressure gradient)는 열이온 캐소드를 사용하는 EBW 시스템과 비교하여 반대로 될 수 있다. 도 2 내지 도 3과 관련하여 논의된 특정 실시예에서, 용접 챔버와 플라즈마 캐소드 사이의 압력 구배는 차동 펌핑(differential pumping) 없이 얻어질 수 있는데, 이는 플라즈마 캐소드 챔버와 용접 챔버 사이에 차동 펌핑된 오리피스가 있기 때문이다.
도 2는 플라즈마 캐소드를 수용하는 하우징(202)을 포함하는 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(200)의 제1 실시예를 도시한다. 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(200)은 하우징(202)의 플라즈마 전자총 부분(230) 내에 애노드(220), 추출기 전극(208), 집속 코일(222), 및 편향 코일(224)을 더 포함한다. 스테이지(212) 및 워크피스(114)는 플라즈마 전자총 부분(230)에 인접한 하우징(202)의 용접 챔버 부분(210)에 위치될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 캐소드는 하우징(202)의 플라즈마 전자총 부분(230)의 플라즈마 캐소드 챔버(204)를 포함할 수 있다. 플라즈마 캐소드는 2개의 플라즈마 전극, 본 명세서에서 +NSP 전극(216b)으로도 지칭되는 양의(positive) 나노초 플라즈마(nanosecond plasma, NSP) 전극(216b)과, 본 명세서에서 -NSP 전극(216a)으로도 지칭되는 음의(negative) 나노초 플라즈마 전극(216a)을 더 포함할 수 있다. 플라즈마 전극(216a, 216b)은 플라즈마 캐소드 챔버(204)의 대향하는 면들(opposing sides)에 위치되고 고전압 플라즈마 전원공급장치(도시되지 않음)와 전기 연통하도록 구성된다. 절연체(232)(예를 들어, 세라믹)가 추출기 전극(208)과 인접한 플라즈마 전극(예를 들어, +NSP 전극(216b)) 사이에 개재된다. 추출기 전극(208), 애노드(220), 집속 코일(222), 편향 코일(224), 및 스테이지(212)는 도 1의 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템(100)과 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 작동할 수 있다.
플라즈마 전원공급장치는 펄스의, 고전압 교류 AC 전원공급장치일 수 있다. 예를 들어, 전원전압(power voltage)은 ±ENSP = 약 ±15 kV 내지 약 ±24 kV일 수 있으며, 20 kHz 주파수 및 수 나노초(nanosecond)의 펄스 길이를 가질 수 있다.
사용 시에, 중성 가스(neutral gas)(비활성 가스라고도 함)가 플라즈마 캐소드 챔버(204)에 공급된다. 예로서, 중성 가스는 아르곤일 수 있다. 중성 가스의 다른 예는 헬륨, 질소 및 수소를 포함할 수 있다. 둘 이상의 중성 가스의 조합도 사용될 수 있다. 플라즈마 캐소드 챔버(204) 내의 압력은 노멀 용접 작업에 대해 약 50 밀리토르 내지 약 500 밀리토르 범위 내에 있을 수 있다.
동시에, 플라즈마 전원공급장치가 플라즈마 전극(216a, 216b) 사이에 전위차를 인가한다. 전위차는 플라즈마 전극(216a, 216b) 사이에 전기장을 생성한다. 펄스 전압은 중성 가스에서 방전을 발생시켜 플라즈마(242)(예를 들어, 전자 및 이온의 구름(cloud))를 생성한다. 높은 음으로 바이어스된 전극(여기에서 -Egun이라고 함)이 플라즈마 캐소드 챔버(204)에서 추출 개구 또는 애퍼처(234)에 위치된다. 상기 음으로 바이어스된 추출기 전극에 대해 양으로 바이어스된 추가 전극을 이용하여 플라즈마(242)로부터 전자가 추출된다. 이러한 방식으로 형성된 플라즈마 전자의 일부가 추출기 전극(208)에 의해 추출되고 시준(collimated)될 수 있다.
플라즈마(242)의 온도는 작동 조건 하에서 약 200℃ 미만이고 "콜드 캐소드(cold cathode)"로 분류될 수 있다. 대조적으로, 핫 열이온 캐소드(106)의 일반적인 작동 온도는 약 1200℃일 수 있다. 낮은 작동 온도로 인해, 플라즈마 캐소드는 열이온 캐소드(106)보다 훨씬 더 적은 열 방출을 보인다. 그 결과, 플라즈마 캐소드로부터 추출되고 추출기 전극(208)의 애퍼처(214)에 의해 시준된 플라즈마 전자는 열이온 캐소드(106)보다 더 낮은 빔 방출(beam emittance)(빔 발산(beam divergence)이라고도 함)을 나타낼 수 있다. 따라서, 플라즈마 캐소드를 사용하여 생성된 플라즈마 전자 빔(플라즈마 e-빔)의 초점 영역(240)은 용접부위에서 더 작은 직경을 가질 수 있어, 보다 정밀한 용접을 달성할 수 있게 한다.
플라즈마 캐소드 챔버의 실시예는 다양한 구성을 채택할 수 있다. 도 2는 +NSP 전극(216b)과 -NSP 전극(216a)이 z-방향을 따라 서로 분리된 제1 구성을 나타낸다. 플라즈마 챔버 축(APC)은 +NSP 전극(216b)과 -NSP 전극(216a) 사이의 방향으로 연장된다. 하우징(202)의 하우징 축(AH)은 전자 빔(236)의 방향(예를 들어, z-방향)으로 연장된다. 따라서, 이러한 제1 구성에서, 플라즈마 챔버 축(APC)은 하우징 축(AH)과 대략 정렬된다. +NSP 전극(216b)은 추출기 전극(208)에 인가된 음의 전자총 전위(-Egun)와 전기 연통되어 있다. -Egun은 -60kV 내지 약 -150kV 범위 내에서 선택될 수 있다. -NSP 전극(216a)은 플라즈마 전원공급장치의 다른 쪽 출력에 연결된다.
플라즈마 캐소드 챔버(204)의 이러한 제1 구성의 이점은 -NSP 전극(216a), +NSP 전극(216b) 및 추출기 전극(208)에 대해 각각 하나씩, 3개의 고전압 피드스루(feedthroughs)를 필요로 한다는 것이다. 도 1의 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템(100) 또한 3개의 고전압 진공 피드스루를 사용하므로, 플라즈마 캐소드 챔버(204)의 이러한 제1 구성은 전자총 플랜지(flange)(244) 및 하우징(202)을 재사용할 수 있다.
그러나, 플라즈마 캐소드 챔버(204)의 이러한 제1 구성은 또한 플라즈마 전원공급장치와 관련하여 문제에 직면할 수 있다. 특히, 플라즈마 전원공급장치는 출력 전압들의 전압 절연(voltage isolation)을 갖지만 펄싱(pulsing)은 비대칭일 수 있다. 양의 플라즈마 전극 +NSP(216b)이 -Egun에 연결되어 있기 때문에 펄스는 플라즈마 전원공급장치 공통(common)에 대해 불균형할 수 있다. 이것은 절연 변압기(isolation transformer)가 평균 바이어스 전압을 이동하게 할 수 있어, 미지의 전압의 가상 공통(virtual common)을 생성하고 플라즈마 전원공급장치의 수정을 필요하게 만들 수 있다. 이 수정에 영향을 미치는 한 가지 방법은 고속 스위칭 변압기를 사용하여 변압기의 인덕턴스를 줄이고 저장된 에너지가 상기 가상 공통을 약 0 볼트로 되게 하기에 충분히 빠르게 소산되도록 하는 것일 수 있다.
제2 플라즈마 캐소드 구성을 갖는 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(300) 형태의 또 다른 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템이 도 3에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(300)은 +NSP 전극(316a) 및 -NSP 전극(316b)이 x-방향을 따라 서로 분리되고 -Egun로부터 격리되도록 회전된 플라즈마 캐소드 챔버(304)를 갖는 하우징(302)을 포함한다. 따라서, 하우징 축(AH)은 플라즈마 캐소드 챔버의 축(APC)에 대략 수직이다. 도 3의 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(300)의 나머지 구성요소는, 달리 언급되지 않는 한, 도 2의 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(200)과 관련하여 위에서 논의된 것과 동일할 수 있다.
플라즈마 캐소드 챔버(304)의 제2 구성의 이점은 플라즈마 전원공급장치 출력이 전자총 전압(-Egun)에 대해 대칭적이라는 것이다. 즉, -Egun은 플라즈마 전원공급장치의 중성선 전압(neutral voltage)(공통 접지) 출력에 연결된다. 따라서, 플라즈마 전원공급장치는 플라즈마 캐소드 챔버(304)의 제2 구성을 구현하기 위해 수정을 필요로 하지 않는다. 그러나, 플라즈마 캐소드 챔버(304) 및 전자총 진공 플랜지(344)는 그것들의 통상적인 설계에 대해 수정이 필요할 수 있다. 일 양태에서, 열이온 전자총 부분(230)에 의해 사용되는 3개의 피드스루에 더하여 제4 고전압 피드스루를 포함하도록 수정이 필요할 수 있다.
다른 양태에서, 플라즈마(242)로부터 전자의 추출 및 (접지된) 애노드(220)로의 전자의 가속은 새로운 추출기 전극(308) 및 구성을 필요로 할 수 있다. 일반적으로, 전자 빔 용접기를 위한 열이온 전자총은 Wehnelt 전자 광학 설계를 사용하고, 여기서 열이온 캐소드는 전자를 가속하기 위해 애노드에 비해 높은 음의 전위로 바이어스된다. 도 3의 제2 구성에서, 플라즈마 전극 +NSP(316a) 및 -NSP(316b)는 총의 에너지와 독립적으로 바이어스된다. 새로운 전극과 케이블의 설치가 필요하며 -Egun 전압으로 바이어스된다. 새로운 전극은 +NSP 전극과 -NSP 전극 사이에서 물리적으로 균형을 이루도록 플라즈마 캐소드 챔버(304)의 대략 중앙에 위치된다. 플라즈마 캐소드 챔버(304)는 전자 추출을 허용하기 위해 추출기 전극(308)의 애퍼처(334)와 정렬된 애퍼처(334')을 갖는다. Wehnelt 전자 광학 기준을 충족하기 위해, 새로운 중심 전극은 플라즈마 캐소드 챔버(304)와 추출기 전극(308) 사이에 위치된다.
아래의 표 1은 약 100mA의 전자 빔 전류의 추출을 달성할 수 있는 도 2의 제1 구성에서 플라즈마 캐소드 챔버(204)에 대한 작동 파라미터를 예시한다. -NSP 전극(216b)은 -Egun 전압(예를 들어, 약 -60kV)에 전기적으로 연결된다. 추출기 전극(208)은 플라즈마(242)로부터 전자를 추출하기 위해 -Egun 전압에 대해 약 400V 내지 약 1,000V 범위 내에서 바이어스된다. 플라즈마(242)는 펄스 고전압 공급장치에 의해 구동되며, 이는 -Egun에 대해 절연되고 바이어스된다. 추출기 전극(208)은 전자를 애노드(220), 집속 코일(222) 및 편향 코일(224)로 전달하기 위한 애퍼처(234')을 갖는다. 위에서 언급한 바와 같이, 애노드, 조종(steering) 요소들(예를 들어, 편향 코일(224)), 및 집속 요소들(예를 들어, 집속 코일(222))은 통상적인 e-빔 용접 총에 사용되는 것과 유사할 수 있다. 플라즈마 캐소드에 대한 열거된 작동 파라미터는 본 명세서에서 논의되는 모든 실시예(예를 들어, 도 2, 3 및 4)에 적용할 수 있다. 플라즈마 여기 및 빔 추출은 플라즈마 캐소드 챔버(204)의 구성과 독립적이다.
표 1 - 100mA의 추출 전자 빔 전류를 위한 작동 파라미터
| 입력 | 설명 | 값 | 단위 | |
| Te | EHT 플라즈마의 전자 온도 | 4 | eV | |
| V | 바이어스 링 가속 전위 | 400 | V | |
| n | 바이어스 링 출구에서의 전자 밀도 | 1.00E+17 | m3 | |
| d | 바이어스 링 출구에서의 빔 직경 | 1 | mm | |
| dc | EHT 캐소드 출구에서의 빔 직경 | 0.5 | mm | |
| f | NSP 작동 주파수 | 10 | kHz | |
| pw | NSP 펄스 폭 | 1.00E-07 | s | |
| ee | 전자당, 빔의 전자 생성 에너지 | 100 | eV | |
| p | EHT 플라즈마 영역의 충전(fill) 압력 | 10 | mT | |
| 상수(Constants) 및 변환(Conversions) | ||||
| m | 전자 질량 | 9.11E-31 | kg | |
| e | 전자 전하 | 1.60E-19 | C | |
| A | 바이어스 링 출구에서의 빔 면적 | 7.85E-07 | m2 | |
| Ac | 캐소드 출구 면적 | 1.96E-07 | m2 | |
| t | NSP 작동 주기 | 0.0001 | s | |
| duty | NSP 듀티 사이클(Duty cycle) | 0.10 | % | |
| c | 빛의 속력 | 3.00E+08 | m/s | |
| R | 보편 기체 상수 | 8.31E+00 | J/mol*k | |
| Z | 기체의 원자 수 | 2 | # | |
| Na | 아보가드로 수(Avogadro's number) | 6.02E+23 | #/mol | |
| Tn | 중성 가스(Neutral gas) 온도 | 297 | k | |
| 계산(Calculations) | Eqn | |||
| vthe | EHT 플라즈마의 전자 열 속도(thermal velocity) | 1E+06 | m/s | (8*Te/pi*m)1/2 |
| ve | 바이어스 링 가속에서 유도된 전자 속도 | 1E+07 | m/s | (2eV/m)1/2 |
| Rvec | 빛의 속도에 대한 유도된 전자 속도의 비율 | 4 | % | (ve)/c |
| I | 계산된 빔 전류 | 0.15 | A | enA(ve) |
| ne | EHT 캐소드 출구에서 벌크 정상 상태(steady state) EHT 플라즈마의 전자 밀도 | 4E+18 | m-3 | I/(e(Ac)(vthe)) |
| nep | EHT 캐소드 출구에서 펄스 EHT 플라즈마의 전자 밀도 | 4E+19 | m-3 | ne/duty |
| nd | 중성 입자(Neutral particle) 밀도 | 7E+20 | m-3 | PZ(Na)/R(Tn) |
| Ifs | 벌크 정상 상태 EHT 플라즈마의 이온화 비율 | 1 | % | ne/nd |
| Ifp | 펄스 EHT 플라즈마의 이온화 비율 | 5 | % | nep/nd |
| Pbe | 전자를 생성하기 위해 EHT 플라즈마에 공급된 전력 | 15 | W | I(ee) |
| 참고사항 및 가정 | ||||
| Ir | 필요한 빔 전류 | 0.1 | A | |
| 출구 홀(holes)은 원형임 | ||||
| EHT 플라즈마를 떠나는 모든 전자는 바이어스 링 출구를 통과함 | ||||
| 이온당 전자 1개가 생성됨 | ||||
| H2에 대한 Paschen 곡선의 하한은 100mTorr의 경우 0.9Torr*cm임. 전자 간격은 9cm 미만임. |
||||
| Ar에 대한 Paschen 곡선의 하한은 100mTorr의 경우 0.25Torr*cm임. 전자 간격은 2.5cm 미만임. |
||||
아래의 표 2는 플라즈마 캐소드를 사용하는 60kV 전자 빔 용접 총에 대한 플라즈마 작동 조건 및 출력 전류 및 전력의 최대 범위를 예시한다. 노멀 용접 작업을 위한 플라즈마 파라미터는 더 작은 범위를 갖는다. 예를 들어, 표 1은 약 6kW 플라즈마 전자 빔을 생성할 수 있는, 100mA 작업을 위한 예시적인 파라미터를 제공한다. 이것은 용접에 유용한 공칭 최저 전력이다. 이들 작동 파라미터는 본 명세서에서 논의된 플라즈마 캐소드의 모든 구성에 적용가능하다(예를 들어, 도 2, 3 및 4). 그러나, 본 개시의 실시예는 개시된 작동 파라미터로 제한되지 않고 다른 적절한 작동 파라미터가 제한 없이 사용될 수 있음이 이해될 수 있다.
표 2 - 60kV 전자 빔 용접을 위한 작동 파라미터
| 파라미터 | 최소 | 최대 |
| 플라즈마 전원공급장치 작동 주파수 (kHz) | 5 | 20 |
| 플라즈마 전원공급장치 펄스 폭(nsec) | 0.1 | 5 |
| 플라즈마 캐소드 챔버 압력(millitorr) | 1 | 100 |
| 바이어스 링 전압 (V) | 400 | 1,000 |
| 출력 전류 (mA) | 16 | 1,000 |
| 용접 전력 (kW) | 1 | 60 |
추가적인 작동 배얼(arrangements)이, 예를 들어 약 60kW보다 큰 출력 전력에 대해 구상된다. 그러나 플라즈마 전원공급장치는 플라즈마 e-빔의 더 높은 출력 전력으로 작동하도록 수정이 필요하다는 것이 이해될 수 있다. 특히 플라즈마의 더 높은 전자 플럭스(electron flux)를 가속화하기 위해 전력 출력이 증가되어야 할 것이다.
위에서 언급한 바와 같이, 도 2 및 도 3의 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(200, 300)은 거의 또는 전혀 수정없이 기존 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템의 하우징에 장착될 수 있다. 예를 들어, 열이온 캐소드 기반 EBW 시스템에서 전형적인 Wehnelt 바이어스 링인, 애노드의 1mm 애퍼처는 약 0.09L/s의 가스 컨덕턴스(conductance)를 가질 수 있다. 이 조건에서 차압(differential pressure)은 식 (1)로 주어진다:
Cring * (PTC - PWC) = SWC * PWC
(1)
여기서 Cring은 가스 컨덕턴스, PTC는 플라즈마 캐소드 챔버의 압력, PWC는 용접 챔버의 압력, SWC는 용접 챔버의 펌핑 속도이다. 플라즈마 캐소드 챔버내의 10밀리토르(millitorr)의 압력의 경우, 플라즈마 캐소드 챔버와 용접 챔버 사이의 압력 전달에 필요한 시간으로 인한 누출이 없다고 가정할 때, 초당 약 1리터 미만을 생성하는 펌프는 플라즈마 캐소드 챔버와 용접 챔버 사이에, 대략 1 크기 정도(order of magnitude)(예를 들어, 플라즈마 캐소드 챔버 내의 약 10 밀리토르와 용접 챔버 내의 약 1 밀리토르 사이)의 압력차를 유지할 수 있다. 약 100밀리토르의 플라즈마 압력의 경우, 펌프 속도는 초당 약 10리터이다.
열이온 캐소드와 비교하여 상대적으로 높은 압력에서 작동하는 콜드 플라즈마 캐소드의 능력은 또한 새로운 구성의 사용을 허용한다. 도 4는 차동 펌핑된 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(400)의 하나의 예시적인 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 차동 펌핑된 EBW 시스템(400)은 플라즈마 전자총(404)을 수용하는 하우징(402) 및 본 명세서에서 스노클(snorkel)로 지칭되는 다단 진공 인클로저(multi-stage vacuum enclosure)(406)를 포함한다.
도 4의 플라즈마 전자총(404)은 전자 생성 및 추출부(404a) 및 집속 및 조종부(404b)를 포함한다. 전자 생성 및 추출부(404a)는 플라즈마 캐소드 챔버, 플라즈마 캐소드, 애노드 및 추출 전극을 포함할 수 있다. 집속 및 조종부는 집속 코일 및 편향 코일을 포함할 수 있다. 이러한 각 구성요소는 위에서 논의된 바와 같이 작동할 수 있다. 추가 실시예에서, 플라즈마 전극 및 캐소드 챔버는 도 2의 제1 구성 및 도 3의 제2 구성과 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 제공될 수 있다.
스노클(406)은 복수의 진공 인클로저 또는 스테이지를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 진공 인클로저(VE1)는 플라즈마 전자총(404)의 집속 및 조종부(404b)에 인접하고 이와 유체 연통(fluid communication)되는 스노클(406)의 일 단부에 위치된다. 제2 진공 인클로저(VE2)는 스노클(406)의 반대쪽 단부에 위치된다. 선택적으로, 하나 이상의 제3 진공 인클로저(VE3)가 제1 진공 인클로저(VE1)와 제2 진공 인클로저(VE2) 사이에 개재될 수 있다. 각각의 진공 인클로저(VE1, VE2, VE3)는 또한 개개의 진공 라인(410)을 통해 전용 진공 펌프(도시되지 않음)와 유체 연통된다.
개개의 진공 인클로저(VE1, VE2, VE3)를 분리하는 벽들은 플라즈마 전자총(404)(예를 들어, 플라즈마 전자총의 원위(distal) 단부(404d))으로부터 용접될 구성요소(워크피스(114))의 표면까지 연장된다. 그렇게 구성된, 스노클(406)의 각각의 진공 인클로저(VE1, VE2, VE3)는 인접한(예를 들어, 가장 가까운 이웃) 진공 인클로저와 상이한 대략 일정한 압력을 유지할 수 있다. 따라서, 워크피스(114)에서 플라즈마 전자총(404)까지 미리 정해진 압력 구배가 설정될 수 있다. 즉, 제2 진공 인클로저(VE2)와 제1 진공 인클로저(VE1) 사이에 미리 정해진 압력 구배가 설정될 수 있다. 예로서, 제2 인클로저(VE2) 내의 압력은 제1 인클로저(VE1) 내의 압력보다 낮을 수 있다. 존재하는 경우, 제3 인클로저(들)(VE3) 내의 압력은 제1 인클로저(VE1)와 제2 인클로저(VE2)의 압력의 중간이다. 플라즈마 캐소드 챔버는 추출기 전극의 작은 애퍼처(예를 들어, 약 1mm 직경)의 사용에 의해 격리될 수 있다.
사용 시에, 스노클(406)(예를 들어, 제2 진공 인클로저(VE2)의 원위 단부)은 초기 용접부위(408)의 위치에 인접한 워크피스(114)의 외부 표면과 접촉하여 배치될 수 있고 진공 씰(vacuum seal)(412)을 형성한다. 따라서, 용접부위(408)에 인접한 워크피스(114)의 부분은 VE2와 대략 동일한 압력으로 유지된다. 플라즈마 캐소드로부터 추출된 전자 빔(414)은 적당한 진공(moderate vacuum)(예를 들어, 수 torr까지)에서 집속 및 조종부(404b)를 통해 전달되어 용접부위(408)에 입사된다. 스노클(406)은 정렬 스테이지(도시되지 않음)에 장착되고 정렬 구조체(예를 들어, 헥사포드(hexapod) 지지대)를 사용하여 용접 이음매를 따라 이동될 수 있다. 스노클(406) 내의 압력은 전자 빔(414)이 최소의 빔 발산 및 흡수로 플라즈마 전자총(404)으로부터 워크피스(114)로 전달되도록 허용하도록 충분히 낮다. 용접부위(408)에 인접한 워크피스(114) 부분은 대략 제2 진공 인클로저(VE2)의 압력으로 유지되기 때문에, 스테이지 및 다른 워크피스 포지셔닝 메커니즘은 대략 대기압 또는 건조 아르곤 글러브 박스와 같이 제어된 환경에 있을 수 있다.
스노클(406)의 실시예는 다양한 구성을 채택할 수 있다. 일 양태에서, 진공 인클로저 세그먼트의 수는 워크피스(114)와 플라즈마 전자총(404) 사이의 원하는 압력 구배에 따라, 적어도 2개(예를 들어, 제3 진공 인클로저(들)(VE3)은 생략됨) 내지 6개 이상(예를 들어, 제1 진공 인클로저(VE1), 제2 진공 인클로저(VE2) 및 4개 이상의 제3 진공 인클로저들(VE3))의 범위일 수 있다.
일반적으로, 더 많은 수의 진공 인클로저 세그먼트를 갖는 스노클(406)은 제2 진공 인클로저(VE2)와 제1 진공 인클로저(VE1) 사이에 더 많은 일정한 압력 구역들이 설정되고 스노클(406) 내의 빔 축을 따라 더 작은 압력 변화율(rate of change)을 허용한다. 2개의 진공 인클로저 세그먼트의 경우, 제1 진공 인클로저(VE1)와 제2 진공 인클로저(VE2) 사이의 압력 변화율은 상대적으로 클 수 있으며, 그 결과 고속 펌프와 유체 연통되는 제2 인클로저(VE2)와 전자 빔(414)이 용접 조인트로 전달되는 제1 진공 챔버(VE1) 사이에 상당한 난류(turbulence)를 초래할 수 있다. 이 난류는 플라즈마 전자 빔(414)이 발산하게 할 수 있고, 이는 더 넓은 용접부위(408)를 생성할 수 있다. 스노클(406)에 더 많은 진공 인클로저들을 추가함으로써(예를 들어, 제3 진공 인클로저들(VE3)의 수를 증가시킴) 스노클(406) 내의 빔 축을 따른 압력 변화율은 감소되어, 전자 빔 애퍼처에서의 난류를 감소시킬 수 있다.
도 4의 스노클의 예시적인 일 실시예는 3개의 진공 인클로저(VE1, VE2, VE3)를 포함할 수 있으며, 각 진공 인클로저의 압력은 다음과 같이 제공될 수 있다. 대체로, 진공 인클로저들은 스노클(406) 외부의 대기압과 최저 압력을 갖는 제1 진공 인클로저(VE1) 사이의 차압(differential pressure)을 생성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제2 진공 인클로저(VE2)는 약 100 밀리토르의 압력일 수 있고, 제3 진공 인클로저(VE3)는 약 500 밀리토르의 압력일 수 있고, 제1 진공 인클로저(VE1)는 약 1 밀리토르의 압력일 수 있다. (예를 들어, 스테이지를 포함하는) 스노클의 외부 환경은 대략 대기압(예를 들어, 약 760 밀리토르)일 수 있다.
추가 양태에서, 용접될 제1 및 제2 구성요소(116a, 116b)가 크고 매끄러운 표면을 갖는 상황에서, 애노드의 애퍼처의 직경은 비교적 클 수 있다(예를 들어, 직경이 약 100cm). 이 경우 애노드 애퍼처의 직경은 큰 용접 조인트에 걸치도록 설계될 수 있다. 편향 코일은 용접부위를 추적(track)하기 위해 플라즈마 전자 빔(414)을 편향시키도록 구성될 수 있다.
다른 양태에서, 용접될 제1 및 제2 구성요소(116a, 116b)가 불규칙한 표면을 갖는 상황에서는, 큰 외부 펌핑 구역(예를 들어, 진공 인클로저(VE2))과 워크피스(114) 사이에 신뢰할 수 있는 진공 씰(412)을 형성하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 상황에서, 외부 펌핑 구역 씰은 용접 조인트 기하학적 구조를 따라 전자 빔(414)을 조종하기에는 너무 작을 수 있다. 전자 빔(414)을 용접부위(408)로 전달하기 위한 VE1 애퍼처는 비교적 작을 수 있다(예를 들어, 약 2cm 내지 약 3cm). 이 경우, 스노클(406)은 플라즈마 전자 빔(414)을 조종하기 보다는 용접부위(408)를 추적하도록 이동될 수 있다.
불규칙한 워크피스 표면은 또한 용접 공정을 제어하는 데 어려움을 발생시킬 수 있다. 일반적으로, 용접부위(408)의 길이를 따라 용접부위(408)의 균일성을 달성하기 위해 용접부위(408)의 크기 및 용접 공정의 온도와 같은 용접 파라미터는 대략 일정한 것이 바람직하다. 그러나 용접 파라미터는 적어도 부분적으로 초점 영역의 크기에 따라 달라진다. 스노클(406)이 불규칙한 표면(예를 들어, 언덕 또는 계곡) 위로 이동할 때, 워크피스(114)와 전자총(404) 사이의 작동 거리(working distance)가 변경되고, 이는 결국 초점 영역의 크기를 변경한다.
불규칙한 표면이 초점 영역의 크기를 변경시킬 수 있고 결과적으로 불균일한 용접을 초래할 수 있다는 것을 인식하여, 도 4의 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템(400)의 추가적인 실시예는 워크피스 표면에서 대략 일정한 초점 영역 크기를 유지하기 위해 플라즈마 전자 빔(414)의 초점조정을 동적으로 조정하도록 수정될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 도 4의 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템은 텔레스코핑(telescoping) 스노클(500)을 포함하도록 수정된다.
텔레스코핑 스노클(500)은 워크피스 표면의 높이 변화에 응답하여 길이를 변화시키도록 구성된다. 예로서, 텔레스코핑 스노클(500)의 진공 인클로저들은 하우징 축(AH)의 방향으로 슬라이딩하도록 구성된 슬라이딩 씰들을 포함하여, 제2 진공 인클로저(VE2)의 원위 단부가 워크피스 표면의 융기 부분(raised portion)과 접촉할 때 수축되고 제2 진공 인클로저(VE2)의 원위 단부가 워크피스 표면의 오목한 부분(recessed portion)과 접촉할 때 연장될 수 있다. 이러한 방식으로, 진공 인클로저들은 플라즈마 전자총(404)과 워크피스(114) 사이의 작동 거리(WD)의 변화에 따라 조정된다.
사용 시에, 텔레스코핑 스노클(500)은 워크피스(114)의 표면 위에 설치된 지지 구조체(502)(예를 들어, 로봇 아암(robotic arm), 갠트리, 헥사포드 구조체, 트랙 레일 등)에 장착될 수 있다. 지지 구조체(502)는 워크피스(114)에 대해 캐소드 기반 EBW 시스템을 이동시키도록 구성될 수 있다. 도 5에서, 지지 구조체(502)는 레일이고 캐소드 기반 EBW 시스템은 레일을 따른 경로(예를 들어, 원형 경로)로 이동된다. 명확성을 위해 텔레스코핑 스노클(500)만 도시되어 있다. 총(gun) 레일의 경로는 플라즈마 전자총(404)의 원위 단부(예를 들어, 워크피스(114)에 가장 가까운 플라즈마 전자총(404)의 단부)로 취해질 수 있는 한편, 용접 윤곽(weld contour) 경로(504)는 워크피스(114)의 표면으로 취해질 수 있다. 텔레스코핑 스노클(500)이 총 레일을 따라 이동함에 따라 작동 거리(WD)가 변하는 것을 관찰할 수 있다.
유리하게도, 도 4 내지 도 5의 차동 펌핑된 플라즈마 캐소드 기반 EBW 시스템의 실시예는 종래의 열이온 기반 EBW 시스템과 달리 대형의 높은 진공 인클로저의 필요성을 제거할 수 있다.
특정 예시적인 실시예들이 본 명세서에 개시된 시스템, 장치 및 방법의 구조, 기능, 제조 및 사용 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 설명되었다. 이들 실시예의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시되어 있다. 이 분야의 기술자들은 본 명세서에 구체적으로 설명되고 첨부 도면에 예시된 시스템, 장치 및 방법들이 비제한적인 예시적인 실시예이고 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 정해진다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 실시예와 관련하여 예시되거나 설명된 특징은 다른 실시예들의 특징과 조합될 수 있다. 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 또한, 본 개시에서, 실시예들의 유사한 명칭의 구성요소들은 대체로 유사한 특징을 가지며, 따라서 특정 실시예 내에서 각각의 유사한 명칭의 구성요소의 각각의 특징은 반드시 완전히 설명될 필요는 없다.
명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐 여기에서 사용되는 근사 표현은 그것이 관련된 기본 기능의 변경을 초래하지 않으면서 허용가능하게 변할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수정되는 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부 경우에, 근사 표현은 값을 측정하기 위한 기기(instrument)의 정밀도에 상응할 수 있다. 여기 및 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐, 범위 한정은 결합 및/또는 상호교환될 수 있으며, 이러한 범위들은 문맥 또는 표현이 달리 나타내지 않는 한 그 안에 포함된 모든 하위 범위를 식별하고 포함한다.
이 분야의 기술자는 전술한 실시예들에 기초하여 본 발명의 추가적인 특징 및 이점을 인식할 것이다. 따라서, 본 출원은 첨부된 청구범위에 의해 나타낸 것을 제외하고는 특별히 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않는다. 본 명세서에서 인용된 모든 간행물 및 참고문헌은 그 전체가 참고로 명시적으로 포함된다.
Claims (20)
- 시스템으로서,
콜드 캐소드(cold cathode) 전자 소스 및 추출 전극을 포함하는 전자총;
상기 전자총으로부터 추출된 전자 빔을 초점 영역에 집속시키도록 구성된 집속 시스템; 및
상기 전자총을 포함하고 상기 전자 빔 방향으로 하우징 축을 따라 연장되는 하우징
을 포함하고,
상기 콜드 캐소드 소스는 상기 전자 빔의 상기 초점 영역에서의 제2 작동 압력보다 더 높은 제1 작동 압력에서 전자를 방출하도록 구성되는 것인, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 콜드 캐소드 전자 소스는 플라즈마 캐소드이고,
상기 플라즈마 캐소드는,
플라즈마 캐소드 챔버;
상기 플라즈마 캐소드 챔버의 제1 벽에 장착된 제1 플라즈마 전극; 및
상기 제1 벽 반대쪽에 있는, 상기 플라즈마 캐소드 챔버의 제2 벽에 장착된 제2 플라즈마 전극
을 포함하고,
상기 플라즈마 캐소드 챔버의 축은 상기 제1 플라즈마 전극과 상기 제2 플라즈마 전극 사이의 방향으로 연장되는 것인, 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 플라즈마 캐소드는 약 200℃ 미만의 전자 온도를 갖는 플라즈마를 생성하도록 구성되는 것인, 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 플라즈마 캐소드 챔버 축은 상기 하우징 축과 대략 정렬되는 것인, 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 플라즈마 캐소드 챔버 축은 상기 하우징 축에 대략 수직인 것인, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 작동 압력은 약 50 밀리토르(millitorr) 내지 약 500 밀리토르 범위 내에 있는 것인, 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 제2 작동 압력은 약 1 밀리토르 내지 약 50 밀리토르 범위 내에 있는 것인, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하우징은 상기 전자총 및 상기 초점 영역을 인클로징(enclosing)하는 용접 챔버를 포함하는 것인, 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하우징은 상기 전자총에 결합된 제1 단부와 제2 자유 단부 사이에서 연장되는 차동 펌핑된 스노클(differentially pumped snorkel)을 더 포함하고, 상기 스노클은 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 선택된 압력 구배를 제공하도록 구성되고, 상기 초점 영역은 상기 제2 자유 단부에 대략 배치되는 것인, 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 스노클은 개개의 진공 펌프와 각각 유체 연통(fluid communication)된 복수의 진공 인클로저를 포함하는 것인, 시스템. - 방법으로서,
콜드 캐소드 소스 및 추출 전극을 포함하는 전자총에 의해 제1 압력에서 전자를 생성하는 단계;
상기 추출 전극에 의해 상기 콜드 캐소드 소스로부터 방출된 전자를 추출하는 단계;
상기 추출된 전자의 빔을 상기 전자총을 수용하는 하우징의 축을 따라 초점 영역에 집속시키는 단계; 및
워크피스의 표면에 입사하는, 상기 전자 빔의 초점 영역을 수용하는 단계 - 상기 워크피스에서의 제2 압력은 상기 제1 압력보다 낮음 -
를 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 전자를 생성하는 단계는,
상기 전자총의 플라즈마 캐소드 챔버 내에서 가스의 흐름을 수용하는 단계; 및
상기 플라즈마 캐소드 챔버의 제1 벽에 장착된 제1 플라즈마 전극과, 상기 제1 벽 반대쪽에 있는, 상기 플라즈마 캐소드 챔버의 제2 벽에 장착된 제2 플라즈마 전극 사이에 전기장을 생성하는 단계 - 상기 전기장은 상기 가스로부터 플라즈마를 형성하도록 구성됨 -
를 포함하고,
상기 플라즈마 캐소드 챔버의 축은 상기 제1 플라즈마 전극과 상기 제2 플라즈마 전극 사이의 방향으로 연장되는 것인, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 생성된 플라즈마는 약 200℃ 미만의 전자 온도를 갖는 것인, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 플라즈마 캐소드 챔버 축은 상기 하우징 축과 대략 정렬되는 것인, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 플라즈마 캐소드 챔버 축은 상기 하우징 축에 대략 수직인 것인, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 압력은 약 50 밀리토르 내지 약 500 밀리토르 범위 내에 있는 것인, 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제2 압력은 약 1 밀리토르 내지 약 50 밀리토르 범위 내에 있는 것인, 방법. - 제11항에 있어서,
용접 챔버 내에 상기 워크피스를 인클로징하는 단계를 더 포함하고, 상기 용접 챔버는 상기 전자총과 유체 연통되어 있는 것인, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 워크피스의 표면과 스노클의 자유 단부 사이에 진공 씰(vacuum seal)을 형성하는 단계 - 상기 스노클은 상기 자유 단부로부터 상기 전자총까지 연장됨 -; 및
상기 전자총과 상기 자유 단부 사이의 상기 스노클의 길이를 따라 선택된 압력 구배를 설정하는 단계
를 더 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 선택된 압력 구배를 설정하는 단계는 상기 스노클의 개개의 진공 인클로저들에 서로 상이한 레벨의 진공 압력을 적용하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
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